Elektrischer Strom - Stromkreise, Physikübungen

Messung von Stromstärke und Spannung, Vorwiderstand, Reihen- und Parallelschaltungen - Gesamtaufgabenbestand (lehrplanunabhängig)

Hilfe
  • Ein Amperemeter misst die Stromstärke in dem Leiter bzw. Zweig, in dem es eingebaut ist. Ein Voltmeter misst die Spannung in dem "Teilkreis", in dem es eingebaut ist.
  • Amperemeter
    Mit einem Amperemeter misst man Stromstärken. Es misst den Strom in dem Leiter, in dem es eingebaut ist. Um zu messen, welche Stromstärke durch ein elektrisches Bauteil fließt, muss man daher das Amperemeter zu diesem Bauteil in Reihe einbauen. Das Amperemeter selbst hat nur einen sehr sehr kleinen Widerstand.

    Voltmeter
    Mit einem Voltmeter misst man Spannungen. Es misst die Spannung in dem Teilkreis in dem es eingebaut ist. Um zu messen, welche Spannung an einem Bauteil abfällt, muss man daher das Voltmeter zu diesem Bauteil parallel schalten. Das Voltmeter selbst hat einen sehr sehr großen Widerstand.
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Sieh dir folgende Stromkreise an, deren Bauelemente identisch sind und wähle die richtige Antwort aus.

  • graphik
    graphik
    Im unteren Stromkreis zeigt das Amperemeter…
    kaum einen/ keinen Wert an.
    etwa den gleichen Wert wie oben an.
    einen höheren Wert als oben an.
    einen geringeren Wert als oben an.
    Notizfeld
    Notizfeld
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Amperemeter
Mit einem Amperemeter misst man Stromstärken. Es misst den Strom in dem Leiter, in dem es eingebaut ist. Um zu messen, welche Stromstärke durch ein elektrisches Bauteil fließt, muss man daher das Amperemeter zu diesem Bauteil in Reihe einbauen. Das Amperemeter selbst hat nur einen sehr sehr kleinen Widerstand.

Voltmeter
Mit einem Voltmeter misst man Spannungen. Es misst die Spannung in dem Teilkreis in dem es eingebaut ist. Um zu messen, welche Spannung an einem Bauteil abfällt, muss man daher das Voltmeter zu diesem Bauteil parallel schalten. Das Voltmeter selbst hat einen sehr sehr großen Widerstand.
Beispiel
Sieh dir folgende Stromkreise an, deren Bauelemente (Batterie, Amperemeter, Glühlampe) identisch sind:
graphik
graphik
Im unteren Stromkreis zeigt das Amperemeter…
…keinen Wert an.
…etwa den gleichen Wert wie oben an.
…einen höheren Wert als oben an.
…einen geringeren Wert als oben an.

Die elektrische Stromstärke

  • Die elektrische Stromstärke (abgekürzt mit I) wird in der Einheit Ampere (A) gemessen. Es gilt: 1,000 kA = 1000 A; 1,000 A = 1000 mA; 1,000 mA = 1000 μA
  • In einem unverzweigten Stromkreis ist die Stromstärke an jeder Stelle gleich groß.
  • An einem Verzweigungspunkt teilt sich der elektrische Strom auf: Die Summe der Teilstromstärken ergibt den Gesamtstrom (im unverzweigten Teil).

Die elektrische Spannung

  • Die elektrische Spannung (abgekürzt mit U) wird in der Einheit Volt (V) gemessen. Es gilt: 1,000 MV = 1000 kV; 1,000 kV = 1000 V; 1,000 V = 1000 mV
  • Die Spannung misst eine Potenzialdifferenz. Alle miteinander verbundenen Leiter sind auf dem selben Potenzial. Daher fällt an zwei parallel geschalteten "Verbrauchern" die selbe Spannung an.
  • Sind zwei "Verbraucher" in Reihe geschaltet, so fällt an jedem eine Teilspannung ab, die in der Summe die Gesamtspannung der Spannungsquelle ergeben.
Beispiel 1
Helligkeitsvergleich von (baugleichen) Lampen an derselben Spannungsquelle:
1. Wie hell leuchten zwei parallel geschaltete Lampen im Vergleich zu einer baugleichen einzelnen Lampe an der selben Spannungsquelle?
2. Wie hell leuchten zwei in Reihe geschaltete Lampen im Vergleich zu einer baugleichen einzelnen Lampe an der selben Spannungsquelle?
Beispiel 2
In folgender Schaltung (s. Bild) wird 
U
1
=
4 V
 und 
U
=
U
ges
=
12 V
 gemessen.
graphik
In folgender Schaltung (s. Bild) wird 
I
=
I
ges
=
0,4 A
 und 
I
2
=
150 mA
 gemessen.
graphik
Was zeigen die anderen Strom- und Spannungsmessgeräte an? 
Reihenschaltung
Bauteile wie auf einer Schnur hintereinander aufgereiht sind in Reihe geschaltet.
  • Durch jedes Bauteil fließt die gleiche Stromstärke.
  • Bei jedem Bauteil fällt je nach Widerstand unterschiedlich Spannung ab. Addiert man alle Spannungen, erhält man die Gesamtspannung.


Parallelschaltung
Bauteile "nebeneinander" im verzweigten Stromkreis sind parallel geschaltet.
  • Bei jedem Bauteil fällt die gleiche Spannung ab.
  • Die Stromstärke, die durch ein Bauteil fließt, hängt von dessen Widerstand ab. Addiert man alle Stromstärken, erhält man die Gesamtstromstärke.
Beispiel 1
graphik
Nenndaten der Lampe: 
4,5
 
V
 
/
 
0,5
 
A
Batterie: 
6,0
 
V
Bestimme den Widerstandswert des ohmschen Widerstands so, dass die Nenndaten der Lampe erreicht werden.
Beispiel 2
graphik
Gegeben:
I
G
=
0,10
 
A
R
1
=
1,0
 
Ω
    
    
R
2
=
2,0
 
Ω
Berechne alle fehlenden Werte. Runde auf geltende Ziffern.
Beispiel 3
graphik
Gegeben:
U
G
=
12
 
V
R
1
=
1,0
 
Ω
    
    
R
2
=
2,0
 
Ω
Berechne alle fehlenden Werte. Runde auf geltende Ziffern.
Erdung
Ist eine leitende Verbindung zum Erdboden. Strom kann damit über die Erde abfließen.

Kurzschluss
Der Strom findet einen (nahezu) widerstandsfreien Weg von einem Pol zum anderen. Deswegen kommt es meist zu hohen Stromstärken.

Drei Adern in Stromkabeln
  • Außenleiter (Phase)
    Der braune Außenleiter ist für den Stromfluss verantwortlich und ist mit dem Stromnetz bzw. dem Kraftwerk verbunden. In diesem Leiter bewegen sich Elektronen mit hohem "Druck".
  • Neutralleiter
    Der blaue Neutralleiter schließt beim einfachen Wechselstrom den Stromkreis. Die Stromstärken von Außen- und Neutralleiter sind im Normalbetrieb gleich groß.
  • Schutzleiter
    Steht z.B. ein Metallgehäuse unbeabsichtigt unter Strom, leitet der grün-gelbe Schutzleiter den Strom vom Gehäuse in die Erde ab. Falls jemand das Gehäuse berührt bekommt er so keinen Schlag.

Sicherung
Zu hohe Stromstärken können Leitungen und Bauteile beschädigen oder sogar Brände verursachen. In Reihe zu den Bauteilen auf den Außenleitern schaltet man deshalb Sicherungen, die bei zu hohen Strömen (meist ab 16 A) die Stromkreise unterbrechen.

Fehlerstrom(schalter)
Unterscheiden sich die Stromstärken im Außen- und Neutralleiter, löst das im Haushalt den Fehlerstromschalter (FI-Schalter) aus. Er verhindert, dass weiter unkontrolliert Strom (Fehlerstrom) abfließt, z.B. weil Strom über einen Menschen oder über den Schutzleiter in die Erde abfließt.
Beispiel
Die intakten, baugleichen Lampen (Nenndaten: max. 10 V/ 0,5 A) sind an eine Batterie mit 10 V angeschlossen.
graphik
Wähle alle richtigen Aussagen aus:
Wenn der Schalter geschlossen wird…
▇ erlischt 
L
1
.
▇ erlischt 
L
2
.
▇ leuchtet 
L
1
 heller als vorher.
▇ leuchtet 
L
2
 heller als vorher.
▇ liegt ein Kurschluss vor!